CN1330505A

CN1330505A - 全数字化音响系统

Info

Publication number: CN1330505A
Application number: CN01127632A
Authority: CN
Inventors: 张国华; 赖利民; 詹恩毅; 周爱华
Original assignee: 张国华
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: US20040225388A1; JP2003163985A; DE10232368A1; KR20030007226A; DK200201080A; SG118144A1; CN1174658C; KR100532240B1

Abstract

本发明涉及一种全数字化音响系统,包括解码及音场音效处理装置、电源,其特征在于:从解码及音场音效处理装置输出的数字音频信号送到控制及编号装置,对音频信号、控制信号进行编码,并通过控制及编码装置内的数字传输端口与数字化音箱装置相连。本发明采用了机电一体化概念的全数字化音频信号处理,解决了音频信号从输入到处理、分配、传输、放大、扬声等环节的失真问题,保证了音频信号的可控制高保真输出。本发明实现的产品保真度高、可控性好、配套简单,适用于高级音响的大规模生产,是传统音响系统换代方向。

Description

全数字化音响系统

本发明涉及一种系统，特别是一种基于机电一体化设计的全数字化音响系统。

音响系统几乎无处不在，近年人们对音响系统的音质要求不断提高，特别是家庭的音响系统，甚至要求超高保真度。现有的传统音响播放系统，除数字音源和音源解码等部分环节外，是由基于模拟音频信号传输和处理而设计的，即使有数字电路，也只是局部的或替代模拟电路性质的模块。由于模拟电路的局限性，造成了音频信号从输入到处理、传输、放大、扬声等各个环节的失真，同时造成了设计和制造的困难，特别现有的音响系统由于放大电路与音箱都不是在一个完整的体系下设计出来的(非机电一体化设计)，当然地存在很多系统上难以解决的问题，主要体现在以下几个方面：

1.放大器与音箱的负载匹配困难；

2.模拟放大(包括前级电压放大和后级功率放大)存在线性及非线性失真；

3.无源功率分频器的失真和功率损失(对扬声单元的输出内阻增大，驯服力弱)；

4.音箱的制造和调试非常复杂、困难；

5.由放大器至音箱的整套系统的相频特性非常复杂，相频失真难以解决；

6.功率放大效率低，高保真系统成本高；

7.高保真的AV系统设计和制造更加困难，产品一致性难以保证。

本发明的目的在于提供一种全程采用了数字传输和处理，且音箱的整体采用机电一体化结构，保真度高，可控性好，配套简单，生产调试方便，性价比高的全数字化音响系统。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：一种全数字化音响系统，包括解码及音场音效处理装置、电源，其特征在于：从解码及音场音效处理装置输出的数字音频信号送到控制及编码装置，对音频信号、控制信号进行编码，并通过控制及编码装置内的数字传输端口与数字化音箱装置相连。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到：控制及编码装置包括数字音频信号通道分配器，音量及功能控制器、数字音频及控制码编码器、数字传输端口，将从解码及音场音效处理装置送来的数字音频信号经数字音频信号通道分配器处理后，再经数字音频及控制码编码器，将音量及功能控制器及其它相应的控制信号编码到数字音频信号中，形成包含控制信息的标准编码音频数字信号流，从数字传输端口输出，音量及功能控制器还可控制选通器、效果处理器。数字化音箱装置包括数字音箱端口、数字音箱信号处理器、功率放大器、扬声单元、音箱箱体，从数字传输端口输出的标准编码音频数字信号流进入数字音箱端口后，经数字音箱信号处理器进行数字分频、数字相频修正、数字幅频修正、数字音量控制、数字峰值修正处理，分为两路或多路不同响应频带的数字音频信号，送到功率放大器，最后推动扬声单元，数字化音箱装置也将各种相关的数字化音箱装置的状态信号经数字音箱端口、数字传输端口反馈到控制及编码装置。数字化音箱装置中的数字音箱信号处理器、扬声单元、音箱箱体，采用机电一体化结构。解码及音场音效处理装置包括数字音源，数字音源输入接口、模拟音源、模拟音源输入接口、模数转换器、选通器、效果处理器，效果处理器可输出两路或以上通道的数字音频信号送到控制及编码装置。还可以通过音箱参数调整器对数字化音箱装置的数字音箱信号处理器的分频点、幅频修正、相频修正、峰值修正的参数进行调整。

本系统的控制及编码装置，接收经各个标准接口输入的数字音频信号和数字化后的模拟音频信号、接收由控制界面转来的各种控制信号、接收从数字传输端口反馈的数字化音箱装置的状态信号，在音量及功能控制器和编码器对各种信号进行数字处理和数字编码，编码后的数据流经数字传输端口输出。以数字传输端口、传输介质和数字音箱端口将控制及编码装置输出的标准编码音频数字信号流传输到数字化音箱装置，并将数字化音箱装置的反馈信号传输回控制及编码装置。音箱箱体与数字化音箱装置采用数字化及机电一体化设计，其中数字音箱信号处理器将控制及编码装置经数字传输端口、传输介质和数字音箱端口传来的标准编码音频数字信号流，进行音频信号与控制信号分离、数字分频、数字相频修正、数字幅频修正、数字音量控制、数字峰值修正处理，特别是预测性的数字相频修正、数字幅频修正、数字峰值修正及其控制参数设定，保证数字化音箱装置的声音输出的高度保真及高稳定性，数字化音箱装置也将其各种相关的信号经数字音箱端口和传输介质反馈到控制及编码装置。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.整套系统由于采用了全程数字传输和处理，所以减少了传统模拟传输方式和传统模

拟电路带来的失真；

2.由于采用数字分频，大大增加功率放大环节对扬声单元的电阻尼。

3.通过全程失真的预测及适应性补偿(主要是针对扬声单元、各扬声单元的声平面、

音箱箱体、数字分频、功率放大等造成幅频、相频的失真)，精确地对幅频、相频

特性进行调整，确保系统的高保真度、高清晰度；

4.音箱(包括电路、扬声器、音箱箱体)的整体是采用机电一体化设计，并且方便调

整，使音箱更容易设计，性能更好；

5.接口标准化，各个音箱厂家都可以采用本系统生产高度保真的音箱；

6.本系统的设计原理能使高保真、超高保真系统的制造成本降低，工艺简单，适合大

规模生产，特别适合AV5.1(或以上)声道高保真系统的大规模生产；

7.使用者很容易搭配整套系统，减少更新换代的成本；

8.由于系统的高保真平台式架构设计及先进的数字信号处理技术，使系统更具有灵活

性，可以根据不同的喜好，修改音箱的音品。

9.可设置多种声乐场景效果。

图1为本发明的电原理方框图；

图2(A)～图2(D)为控制及编码装置四种可能存在的原理框图；

图3(A)～图3(D)为控制及编码装置与电源连接四种可能存在的原理框图；

图4(A)～图4(C)为控制及编码装置与数字化音箱装置连接三种可能存在的原理框图；

图5(A)～图5(B)为数字化音箱装置两种可能存在的原理框图。

本发明下面将结合附图(实施例)作进一步评述：

参照图1，本发明包括解码及音场音效处理装置20、电源21、控制及编码装置18、数字化音箱装置19、音箱箱体17等。解码及音场音效处理装置20由数字音源1、数字音源输入接口2、模拟音源3、模拟音源输入接口4、模数转换5、选通器6、效果处理器7组成。控制及编码装置18由数字音频信号通道分配器8、音量及功能控制器9、数字音频及控制码编码器10、数字传输端口11组成。数字化音箱装置19由数字音箱端口13、数字音箱信号处理器14、功率放大器15、扬声单元16组成。音箱参数调整器12作为可选配件，供用户进一步调整音箱参数时使用。

控制及处理：

模拟音源3信号进入本系统的解码及音场音效处理装置20的模拟音源输入接口4，首先对模拟音源信号进行数字化整理，通常采用的是模数转换器5；数字音源1直接进入本系统的解码及音场音效处理装置的数字音源输入接口2，所有的数字化音源信号经过多选一的选通器6选择后，在效果处理器7中进行常规的数字解码和数字声场效果处理(可以包括目前常用的杜比环绕、杜比数字(AC-3)、DTS、DSP声场、数字3D声场、数字卡拉0K、数字均衡器等功能处理)，输出两路或多路通道的数字音频信号经控制及编码装置18的数字音频信号通道分配器8将数字音频信号分配到对应的音频通道上，数字信号流再经数字音频及控制码编码器10，将音量及功能控制器9及其它相应的控制信号(如音量控制信号、后期处理控制信号、模式选择控制信号等)编码到数字音频信号中，形成包含控制信息的标准编码音频数字信号流，从数字传输端口11输出。

音量及功能控制器9还可以用于控制选通器6、效果处理器7以及其它单元(如显示器)。

传输：

本系统的标准编码音频数字信号流的传输采用标准串行协议的变异形式，例如采用S/PDIF标准协议。数字音频信号在S/PDIF的音频数据区传输，此时，把音频数据区定义成单声道模式(或只采用双声道的其中一个通道)。音量及控制码通过数字化编码，加载在用户码区(Ubit)。音量及控制码的编码采用可靠(带校验及纠错)非连接(实时)方式。

物理层的传输介质31类型选择主要依据高速和远距离原则，数据速率要求保证传输96K/32Bit以上，传输距离要求保证15m以上。例如采用光纤、同轴电缆、双绞线等。

若采用图4(A)(B)(C)结构，建议采用双绞线作为传输介质31，此时，标准编码音频数字信号流经数字信号调制器29调制再经数字音频信号混合器23与由市电32供电的电源21经电源分配器22、电源混合网络24混合后，采用一对线传输，数字音箱端口13通过数字音频信号分离网络33和电源分离网络34再把已调制的标准编码音频数字信号流和电源分离出来，其中电源进入音箱功率电源35，已调制的标准编码音频数字信号流经数字音频信号解调器30解调后，进入数字音箱信号处理器14。

若采用图4(D)结构，音箱电源可直接由市电32经音箱功率电源35提供。

标准的编码音频数字信号进入数字音箱端口13电路后，经过数字音箱信号处理器14进行数字分频、数字相频修正、数字幅频修正、数字音量控制、数字峰值修正等处理，分为两路或多路不同响应频带的数字音频信号，送到功率放大器15，最后推动扬声单元16，数字化音箱装置19也将各种相关的数字化音箱装置的状态信号经数字音箱端口13、数字传输端口11反馈到控制及编码装置18。

本系统的音箱箱体17与数字化音箱装置19采用机电一体化的设计概念和预测补偿，使得音箱的设计更为合理，可以更容易实现下列设计理念。

数字分频：

数字分频的目的是将全频段音频信号分成低频、(中频)、高频等两个(或三个、或以上)数字音频通道信号，以便处理后分别推动低音、(中音)、高音扬声单元，系统所使用的低通、(带通)、高通滤波器采用适当阶数、适当类型的数字滤波器来完成。数字分频能提高功放对扬声单元的电阻尼性能，分频准确，分频阶数可以较高而使两扬声单元频带重叠少，并能减少相位失真。

数字相频修正：

可以修正各环节的相频失真，特别是不同扬声单元的发声平面不同造成的相位失真。使音箱全频段的系统“群时延”恒定(线性相频)。

数字幅频修正：

对扬声单元灵敏度、音箱箱体17、以及其它环节造成的幅频失真进行修正。使音箱全频段的幅频特性平直。

数字音量控制：

接收从控制及编码装置18输出的音量控制信号对数字音频信号进行调制，以达到音量控制的目的；并由于扬声单元16灵敏度、扬声单元16承受的功率、系统的放大倍数是已知的(一体化设计)，扬声单元16的最大音量就有必要和有可能限定，以防止烧毁扬声单元16。

数字峰值修正：

由于功率放大器15的电压是有限的，扬声单元16承受的峰值功率(拍底)也是有限的，过大的峰值功率输出会造成严重的削波失真，本系统有必要和有可能对其进行修正，修正可采用预测后面的声音幅度和渐变曲线法(软饱和法)，经修正后的系统性能和音质会有很大提高，声音更圆滑优美。

上述这些处理是依据机电一体化的设计概念，是由音箱的设计和制造过程中测试到的扬声单元16及音箱箱体17特性决定的，原则上保证系统的全部失真环节(特别是音箱箱体17和扬声单元16)得到预测性补偿，达到高度保真。

其次，音箱厂家及其设计师可以根据自己的设计概念调整音箱的音品倾向、动态倾向、地区风格倾向等，生产出有品牌风格的产品。

再者，使用者也可以通过调整本系统的效果处理器7中的声场设置或均衡器功能来得到自己爱好的音品倾向。

资深的音响爱好者更可以通过音箱参数调整器12调整数字化音箱系统的数字音箱信号处理器14的分频点、幅频修正、相频修正、峰值修正的参数，以满足欣赏者的个人爱好，或进行音响爱好者之间经验交流甚至比赛。

由于本系统的数据传输是采用标准编码音频数字信号流，保证了控制及编码装置18和数字化音箱系统19之间的独立性，也由于数字化音箱系统的设计和制造是在一个完整的、高保真要求的设计和质量体系下进行，独立于系统特性，降低了各部件之间的依赖性，适合分离各部件而独立进行设计和制造。

参照图2(A)～图2(D)，图2(A)描述的结构中控制及编码装置18是一个独立的设备，其特点是结构清晰，但连线多，另外前级解码及音场音效处理装置20没有现成与本系统配套的产品。图2(B)描述的结构中控制及编码装置18和解码及音场音效处理装置20是组合结构，但需另配功率电源分配器22是单独的，其特点是电源可以更自由地选配。图2(C)描述的结构更把图2(B)中的功率电源分配器22组合在一起，安装使用更方便。图2(D)描述的结构更把CD、DVD光盘机28和基本AV功能都集合在一起，不另加其它设备就可以组成一套AV音响。图2(C)、图2(D)是更可用的结构。

参照图3(A)～图3(D)，图3(A)电源21配置在设备之内。图3(B)电源21配置在设备之外，有接口连接。图3(C)电源21和功率电源分配器22组合一起并另外装置。图3(D)功率电源35直接提供给数字化音箱装置19。参照图3(A)～图3(C)都各有特色，都可采用。图3(D)连接较为麻烦。

参照图4(A)～图4(C)，图4(A)对应于图3(A)、(B)，图中的数字音频信号分离网络33可以通过调制的数字信号并阻挡低频的功率电源，电源分离网络34可以通过直流或交流(50Hz～60Hz)的功率电源，并阻挡高频的数字信号。图4(B)对应于图3(C)，原理同上。图4(C)对应于图3(D)，功率电源35由音箱自配。

参照图5，图5(A)的功率放大器15是一种直接采用数字功放25(如D类放大器)推动扬声单元16发声的结构。图5(B)的功率放大器15是一种采用先数模转换26后模拟功放27推动扬声单元16发声的结构。

Claims

1.一种数字化音响系统，包括电源(21)、解码及音场音效处理装置(20)，其特征在于：从解码及音场音效处理装置(20)输出的数字音频信号送到控制及编码装置(18)，对音频信号、控制信号进行编码，并通过控制及编码装置(18)内的数字传输端口与数字化音箱装置(19)相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制及编码装置(18)包括数字音频信号通道分配器(8)，音量及功能控制器(9)、数字音频及控制码编码器(10)、数字传输端口(11)，将从解码及音场音效处理装置(20)送来的数字音频信号经数字音频信号通道分配器(8)处理后，再经数字音频及控制码编码器(10)，将音量及功能控制器(9)及其它相应的控制信号编码到数字音频信号中，形成包含控制信息的标准编码音频数字信号流，从数字传输端口(11)输出，音量及功能控制器(9)还可控制选通器(6)、效果处理器(7)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：数字化音箱装置(19)包括数字音箱端口(13)、数字音箱信号处理器(14)、功率放大器(15)、扬声单元(16)、音箱箱体(17)，从数字传输端口(11)输出的标准编码音频数字信号流进入数字音箱端口(13)后，经数字音箱信号处理器(14)进行数字分频、数字相频修正、数字幅频修正、数字音量控制、数字峰值修正处理，分为两路或多路不同响应频带的数字音频信号，送到功率放大器(15)，最后推动扬声单元(16)，数字化音箱装置(19)也将各种相关的数字化音箱装置的状态信号经数字音箱端口(13)、数字传输端口(11)反馈到控制及编码装置(18)。

4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于：数字化音箱装置(19)中的数字音箱信号处理器(14)、扬声单元(16)、音箱箱体(17)，采用机电一体化结构。

5.根据权利要求1或2所述系统，其特征在于：解码及音场音效处理装置(20)包括数字音源(1)，数字音源输入接口(2)、模拟音源(3)、模拟音源输入接口(4)、模数转换器(5)、选通器(6)、效果处理器(7)，效果处理器(7)可输出两路或以上通道的数字音频信号送到控制及编码装置(18)。

6.根据权利要求1或3或4所述的系统，其特征在于：还可以通过音箱参数调整器(12)对数字化音箱装置(19)的数字音箱信号处理器(14)的分频点、幅频修正、相频修正、峰值修正的参数进行调整。